سفيروماك

يُعدّ مفهوم الحلزونية المغناطيسية ، وهو قيمة، مفهومًا أساسيًا في فهم الكروية المغناطيسية.${\displaystyle H}$وهذا يصف "التواء" المجال المغناطيسي في البلازما.

أُجريت أولى الدراسات حول هذه المفاهيم على يد هانز ألفين عام 1943، ^{[ 5 ]} وهو ما أهّله لنيل جائزة نوبل في الفيزياء عام 1970. وقد فسّر تطويره لمفهوم موجات ألفين ديناميكيات البلازما طويلة الأمد، حيث تُنتج التيارات الكهربائية المتدفقة داخلها مجالات مغناطيسية ، تُولّد بدورها تيارات جديدة، على غرار الدينامو . وفي عام 1950، درس لوندكويست موجات ألفين تجريبيًا في الزئبق ، وقدّم رقم لوندكويست المميز ، الذي يصف موصلية البلازما. وفي عام 1958، لاحظ لودويج وولتيير ، الذي كان يعمل على بلازما الفيزياء الفلكية، أن${\displaystyle H}$^{[ 6 ]} يتم الحفاظ على هذه الخاصية، مما يعني أن المجال الملتوي سيحاول الحفاظ على التواءه حتى مع تطبيق قوى خارجية عليه.

ابتداءً من عام 1959، قام ألفين وفريق ضم ليندبرغ وميتليد وجاكوبسن ببناء جهاز لإنتاج كرات من البلازما لأغراض الدراسة. كان هذا الجهاز مطابقًا لأجهزة "الحاقن المحوري" الحديثة (انظر أدناه)، وقد فوجئ الباحثون باكتشاف عدد من السلوكيات المثيرة للاهتمام، من بينها تكوين حلقات مستقرة من البلازما. على الرغم من نجاحاتهم العديدة، اتجه الباحثون في عام 1964 إلى مجالات أخرى، وظل مفهوم الحاقن خامدًا لعقدين من الزمن. ^{[ 7 ]}

في عام ١٩٥١، بدأت الجهود لإنتاج اندماج نووي مُتحكم به لتوليد الطاقة. استخدمت هذه التجارب عمومًا نوعًا من الطاقة النبضية لتوفير القوى المغناطيسية الكبيرة اللازمة لها. كانت شدة التيار والقوى الناتجة عنها غير مسبوقة. في عام ١٩٥٧، نشر هارولد فورث وليفين ووانيك تقريرًا عن ديناميكيات المغناطيسات الكبيرة، موضحين أن العامل المحدد لأداء المغناطيس هو عامل فيزيائي؛ إذ أن الإجهادات داخل المغناطيس تتغلب على حدوده الميكانيكية. اقترحوا لف هذه المغناطيسات بطريقة تلغي فيها القوى داخل لفائف المغناطيس بعضها بعضًا، وهو ما يُعرف بـ"حالة انعدام القوة". على الرغم من أنه لم يكن معروفًا في ذلك الوقت، إلا أن هذا هو نفس المجال المغناطيسي الموجود في مفاعل كروي. ^{[ ٨ ]}

في عام 1957، بدأ تشغيل جهاز زيتا (مفاعل الاندماج النووي) في المملكة المتحدة. كان زيتا آنذاك أكبر وأقوى جهاز اندماج نووي في العالم. استمر تشغيله حتى عام 1968، حين ظهرت أجهزة أخرى تضاهيه في الحجم. خلال فترة تشغيله، لاحظ الفريق التجريبي أن البلازما تحافظ أحيانًا على انحصارها لفترة طويلة بعد انتهاء التجربة ظاهريًا، ^{[ 9 ]} على الرغم من أن هذه الظاهرة لم تُدرس بتعمق آنذاك. بعد سنوات، في عام 1974، وصف جون برايان تايلور هذه البلازما ذاتية الاستقرار، والتي أطلق عليها اسم "البلازما الساكنة". طور تايلور مفهوم توازن حالة تايلور ، وهي حالة بلازما تحافظ على الحلزونية في أدنى مستوى طاقة ممكن. أدى هذا إلى إعادة إحياء أبحاث الطورويدات المدمجة . ^{[ 10 ]}

كان مفهوم " الانضغاط ثيتا" نهجًا آخر للاندماج النووي ، وهو مشابه نظريًا لمفهوم "الانضغاط زد" المستخدم في جهاز زيتا، ولكنه يعتمد على ترتيب مختلف للتيارات والمجالات. أثناء العمل على جهاز كهذا في أوائل الستينيات، مصمم بمنطقة انضغاط مخروطية، وجد بوستيك وويلز أن الجهاز يُنتج أحيانًا حلقات بلازما مستقرة. ^{[ 11 ]} تبع ذلك سلسلة من الأجهزة لدراسة هذه الظاهرة. أظهر أحد قياسات المجس المغناطيسي شكل المجال المغناطيسي الحلقي لـ"سفيروماك"؛ حيث كان المجال الحلقي معدومًا على المحور، ثم ارتفع إلى أقصى قيمة له عند نقطة داخلية، ثم عاد إلى الصفر عند الجدار. ^{[ 10 ]} مع ذلك، فشل مفهوم "الانضغاط ثيتا" في الوصول إلى ظروف الطاقة العالية اللازمة للاندماج النووي، وانتهى معظم العمل عليه بحلول السبعينيات.

المفهوم الأساسي في الاندماج النووي هو توازن الطاقة لأي آلة تقوم بدمج البلازما الساخنة.

القدرة الصافية = الكفاءة * (الاندماج - فقد الإشعاع - فقد التوصيل)

يشكل هذا أساس معيار لوسون . ولزيادة معدلات الاندماج، ركزت الأبحاث على "المنتج الثلاثي"، وهو مزيج من درجة حرارة البلازما وكثافتها وزمن الحصر. ^{[ 12 ]} تنقسم أجهزة الاندماج عمومًا إلى فئتين: أجهزة نبضية مثل جهاز الانضغاط Z ، التي سعت إلى الوصول إلى كثافات ودرجات حرارة عالية ولكن لفترات قصيرة جدًا (بالميكروثانية)، بينما سعت مفاهيم الحالة المستقرة مثل جهاز ستيلاراتور والمرآة المغناطيسية إلى الوصول إلى معيار لوسون من خلال فترات حصر أطول.

أشارت أعمال تايلور إلى أن البلازما ذاتية الاستقرار تُعدّ طريقةً بسيطةً لمعالجة المشكلة على طول محور زمن الحصر. وقد أدى ذلك إلى جولة جديدة من التطورات النظرية. في عام ١٩٧٩، نشر روزنبلث وبوساك ورقةً بحثيةً تصف تعميماتٍ لأعمال تايلور، بما في ذلك حالة طاقة دنيا كروية ذات مجال حلقي معدوم على السطح المحيط. ^{[ ١٣ ]} هذا يعني عدم وجود تيار خارجي على محور الجهاز، وبالتالي عدم وجود ملفات مجال حلقي خارجية. بدا أن هذا النهج سيسمح بتصميم مفاعلات اندماج ذات تصميم أبسط بكثير من نهجي ستيلاراتور وتوكاماك السائدين .

ظهرت عدة أجهزة تجريبية بين عشية وضحاها تقريبًا. أدرك ويلز أن تجاربه السابقة كانت أمثلة على هذه البلازما. انتقل إلى جامعة ميامي وبدأ بجمع التمويل لجهاز يجمع بين نظامين من أنظمة الضغط المخروطية ثيتا التي طورها سابقًا، والذي أصبح فيما بعد جهاز تريسوبس . قامت جامعة ميريلاند، كوليدج بارك، ببناء جهاز PS-1، الذي استخدم مزيجًا من الضغط ثيتا وزيتا لإنتاج الكريات الكروية ^{[ 14 ]} ، كما فعلت جامعة نيهون في اليابان. تحمس هارولد فورث لاحتمالية وجود حل أقل تكلفة لمشكلة الحصر، وبدأ العمل على جهاز S1 في مختبر برينستون لفيزياء البلازما ، والذي استخدم التسخين الحثي. لخص فورث العديد من هذه التجارب المبكرة في عام 1983. ^{[ 15 ]}

تُوِّجت هذه التجارب المبكرة في مجال الطاقة المغناطيسية بتجربة التوروس المضغوط (CTX) في لوس ألاموس . كان هذا الجهاز الأكبر والأقوى في تلك الحقبة، حيث كان يُولِّد جسيمات كروية ذات تيارات سطحية تبلغ 1 ميغا أمبير، ودرجات حرارة تصل إلى 100 إلكترون فولت، وذروة بيتا للإلكترونات تتجاوز 20%. ^{[ 16 ]} وقد اختبرت تجربة CTX طرقًا لإعادة إدخال الطاقة إلى الجسيم الكروي المتشكل بالكامل لتعويض الفقد على السطح. على الرغم من هذه النجاحات المبكرة، بحلول أواخر ثمانينيات القرن العشرين، تجاوزت أجهزة التوكاماك أوقات الحصر للجسيمات الكروية بعدة مراتب. فعلى سبيل المثال، حقق جهاز JET أوقات حصر في حدود ثانية واحدة. ^{[ 17 ]}

لم يكن الحدث الرئيسي الذي أنهى معظم أعمال جهاز سفيروماك ذا طابع تقني؛ فقد تم تقليص تمويل برنامج الاندماج النووي الأمريكي بأكمله بشكل كبير في السنة المالية 1986، وتم إلغاء تمويل العديد من "الأساليب البديلة"، والتي شملت أجهزة سفيروماك. استمرت التجارب القائمة في الولايات المتحدة حتى نفاد تمويلها، بينما استمرت برامج أصغر في أماكن أخرى، ولا سيما في اليابان وجهاز SPHEX الجديد في المملكة المتحدة، من عام 1979 إلى عام 1997. حصل جهاز CTX على تمويل إضافي من وزارة الدفاع واستمر في إجراء التجارب حتى عام 1990؛ وقد حسّنت الجولات الأخيرة درجات الحرارة إلى 400 إلكترون فولت، ^{[ 18 ]} وأوقات الحصر إلى حوالي 3 مللي ثانية. ^{[ 19 ]} 

خلال أوائل التسعينيات، تم استخدام تقنية "سفيروماك" على نطاق واسع من قبل مجتمع الفيزياء الفلكية لشرح أحداث مختلفة، وتمت دراسة "سفيروماك" كإضافة إلى أجهزة MFE الحالية.

كان كل من دي إم راست وإيه كومار نشطين بشكل خاص في استخدام الحلزونية المغناطيسية والاسترخاء لدراسة النتوءات الشمسية. ^{[ 20 ]} وقد أجرى بيلان وهانسن أعمالاً مماثلة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، ^{[ 21 ]} ومشروع تجربة سفيروماك سوارثمور (SSX) في كلية سوارثمور .

استمر بعض العمل في مجال هندسة الطاقة الجزيئية خلال هذه الفترة، حيث استخدم معظمه أجهزة "سفيروماك" كأجهزة مساعدة للمفاعلات الأخرى. استخدم كل من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) والمعهد الوطني للبحوث العلمية والتقنية الكهروميكانيكية (INRS-EMT) في كندا أجهزة "سفيروماك" المعجلة كوسيلة لإعادة تزويد مفاعلات "توكاماك" بالوقود. ^{[ 22 ]} درس باحثون آخرون استخدام أجهزة "سفيروماك" لحقن الحلزونية في مفاعلات "توكاماك"، مما أدى في النهاية إلى تطوير جهاز "الحلقة الكروية المحقونة بالحلزونية" (HIST) ومفاهيم مماثلة لعدد من الأجهزة الموجودة. ^{[ 23 ]}

أظهر هامر وهارتمان وآخرون إمكانية تسريع الجسيمات الكروية إلى سرعات فائقة باستخدام مدفع كهرومغناطيسي ، مما أدى إلى اقتراح استخدامات عديدة لها. من بين هذه الاستخدامات، استخدام هذه البلازما كـ"رصاصات" لإطلاقها على الرؤوس الحربية القادمة ، على أمل أن تُعطّل التيارات الكهربائية المصاحبة لها إلكترونياتها. وقد أدى ذلك إلى إجراء تجارب على نظام نجم شيفا ، إلا أنها أُلغيت في منتصف التسعينيات. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

تضمنت الاستخدامات المقترحة الأخرى إطلاق كرات كروية على أهداف معدنية لتوليد ومضات أشعة سينية مكثفة كمصدر إضاءة خلفية لتجارب أخرى. ^{[ 22 ]} في أواخر التسعينيات، طُبقت مفاهيم الكرات الكروية لدراسة فيزياء البلازما الأساسية، ولا سيما إعادة الاتصال المغناطيسي . ^{[ 22 ]} بُنيت أجهزة كرات كروية مزدوجة في جامعة طوكيو ، وبرينستون (MRX)، وكلية سوارثمور .

في عام ١٩٩٤، كان تي. كينيث فاولر يلخص نتائج التجارب التي أجراها جهاز CTX في ثمانينيات القرن الماضي، عندما لاحظ أن زمن الحصر يتناسب طرديًا مع درجة حرارة البلازما. ^{[ ٢٢ ]} كان هذا غير متوقع؛ إذ ينص قانون الغاز المثالي عمومًا على أن ارتفاع درجات الحرارة في منطقة حصر معينة يؤدي إلى زيادة الكثافة والضغط. في الأجهزة التقليدية مثل التوكاماك، تؤدي هذه الزيادة في درجة الحرارة/الضغط إلى زيادة الاضطراب، مما يقلل زمن الحصر بشكل كبير. إذا كان مفاعل سفيروماك يحسن الحصر مع ارتفاع درجة الحرارة، فإن هذا يشير إلى مسار جديد نحو مفاعل سفيروماك بمستوى الاشتعال. ^{[ ٢٦ ] [ ٢٧ ]}

كان الوعد كبيرًا لدرجة أن العديد من تجارب MFE الجديدة بدأت بدراسة هذه المسائل. ومن أبرز هذه التجارب تجربة فيزياء الكريات الكروية المستدامة (SSPX) في مختبر لورانس ليفرمور الوطني ، والتي درست مشاكل توليد كريات كروية طويلة العمر من خلال الحقن الكهروستاتيكي لحلزونية إضافية. ^{[ 28 ]} ومن الجدير بالذكر أيضًا تجربة الحلقة المحقونة بالحلزونية الاستقرائية الثابتة (HIT-SI) في جامعة واشنطن برئاسة البروفيسور توماس جاربو. ^{[ 29 ]} وقد حفز نجاح استدامة الكريات الكروية مع وجود دليل على حصر الضغط ^{[ 30 ]} في هذه التجربة على ابتكار مفهوم جديد لمفاعل اندماج قائم على الكريات الكروية يُسمى دينوماك، والذي يُتوقع أن يكون منافسًا من حيث التكلفة لمصادر الطاقة التقليدية. ^{[ 31 ]}

• "قائمة المراجع الرئيسية لسفيروماك"
• بيلان، بول (2000). سفيروماكس . مطبعة إمبريال كوليدج. ISBN 978-1-86094-141-2.
• هوبر، إي. بيكفورد؛ بارنز، كريس (23 أبريل 1996). "السفيروماك - مفهوم بديل لتقنية MFE وتجربة علمية في مجال البلازما" .
• هوبر، إي بي؛ وآخرون  . (أبريل 1998). "مسار سفيروماك إلى طاقة الاندماج" . مختبر لورانس ليفرمور الوطني. doi : 10.2172/304511 . OSTI 304511 . 
• "سفيروماكس" مؤرشفة بتاريخ 10 ديسمبر 2009 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) ، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech).
• "مسار سفيروماك نحو الاندماج" ، برنامج طاقة الاندماج، مختبر لورانس ليفرمور الوطني
• "ما هو الكرويروماك؟" ، برنامج طاقة الاندماج، مختبر لورانس ليفرمور الوطني
• برامز، سي إم؛ ستوت، بي إي (2002). الاندماج النووي: نصف قرن من أبحاث الاندماج بالحصر المغناطيسي . مطبعة سي آر سي. رمز Bibcode : 2002nfhc.book.....B . رقم ISBN 978-1-4200-3378-6.